基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化評(píng)價(jià)

張玉軍

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化評(píng)價(jià)

張玉軍1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

由于不同礦區(qū)地質(zhì)復(fù)雜程度、采礦條件的差異性，從而決定了底板突水主控因素的不同。以蔚州礦區(qū)及單侯礦井地質(zhì)采礦條件為背景，在研究蔚州礦區(qū)突水時(shí)空特征的前提下，重點(diǎn)分析礦區(qū)突水資料與巖溶含水層的分布規(guī)律、富水特性的空間位置關(guān)系，定性確定蔚州礦區(qū)突水的主控因素。并以單侯礦井為例，采用多源信息融合技術(shù)定量評(píng)價(jià)單侯礦井突水主控因素。研究結(jié)果表明：蔚州礦區(qū)突水的主控因素為巖溶發(fā)育程度、隔水層厚度及其巖性組合、含水層的水壓及富水性、斷層的規(guī)模。而對(duì)于單侯礦井，在底板突水眾多影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造占主導(dǎo)因素，其次為隔水層厚度、含水層水壓和含水層富水性。

多源信息融合；底板突水；主控因素；定量化評(píng)價(jià)

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的增加，底板奧灰水壓和開采擾動(dòng)越來越大，致使突水水害日趨嚴(yán)重。多年來，國(guó)內(nèi)外煤礦科技工作者對(duì)底板突水作了大量的研究工作，提出了多種突水判據(jù)和理論，如斯列薩遼夫公式、突水系數(shù)法及“下三帶”理論等[1-2]。伴隨著計(jì)算機(jī)和非線性理論的發(fā)展，眾多學(xué)者相應(yīng)提出了突水概率指數(shù)法、底板突水泛決策理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、地理信息系統(tǒng)、主控指標(biāo)體系、脆弱性指數(shù)等理論方法[3-14]。這些理論在不同時(shí)期不同程度上為防治煤礦底板突水起到積極的指導(dǎo)作用，并在對(duì)底板大量突水案例分析研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)得出含水層的富水性、水壓力以及底板隔水層阻水能力、地質(zhì)構(gòu)造、采動(dòng)礦山壓力是影響底板突水的主要因素。然而由于不同礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)以及采礦條件的差異，使得上述預(yù)測(cè)理論考慮的因素不夠全面，未能深刻揭示各種影響因素與突水之間的關(guān)系。眾所周知，底板突水影響因素的權(quán)重決定了突水的類型，是底板突水預(yù)測(cè)與防治水技術(shù)措施制定的主要依據(jù)。但是突水因素并非同時(shí)作用于每一個(gè)突水點(diǎn)，尤其對(duì)于不同的礦區(qū)，由于地質(zhì)復(fù)雜程度、采礦條件的差異性，從而決定了突水主控因素的不同。我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井底板突水威脅嚴(yán)重。但由于底板突水影響因素多，機(jī)理復(fù)雜，各因素間關(guān)聯(lián)耦合，導(dǎo)致各影響因素的影響程度不同[15 ]。

本文以蔚州礦區(qū)及單侯礦井地質(zhì)采礦條件為背景，重點(diǎn)分析礦區(qū)突水資料與巖溶含水層的分布規(guī)律、富水特性的空間位置關(guān)系，在研究蔚州礦區(qū)突水時(shí)空特征的前提下，定性確定蔚州礦區(qū)突水的主控因素。并以單侯礦井為例，采用多源信息融合技術(shù)定量評(píng)價(jià)單侯礦井突水主控因素。

1 研究區(qū)概況

蔚州礦區(qū)位于蔚縣盆地中南部，四周被不同時(shí)代的大斷裂所圍割。其中南為壺流河斷層，東為松枝口—右所堡斷層，北為陽(yáng)原南山斷層，西界為暖泉—大灣斷層。

蔚州礦區(qū)有生產(chǎn)礦井6對(duì)、基建礦井1對(duì)、后續(xù)礦井2對(duì)。蔚州礦區(qū)礦井分布如圖1所示。地層由老至新依次為古生界寒武系，奧陶系；中生界侏羅系；新生界第三系；第四系。主采煤層自下而上為1，5和6號(hào)煤。主要含水層為寒武系石灰?guī)r含水層，奧陶系下統(tǒng)石灰?guī)r含水層，侏羅系砂巖含水層，中侏羅統(tǒng)砂礫巖含水層，第四系壓含水層。其中奧灰含水層是下部煤層開采底板充水的直接含水層，水頭壓力高，富水性中等～強(qiáng)。在1，5，6號(hào)煤與基底奧陶系灰?guī)r之間，發(fā)育有隔水的鮞狀泥巖、粉砂巖，隔水層遍及全井田，該層的厚度隨古地形的起伏各異，有效隔水層厚度較薄。其中1號(hào)煤距奧灰頂界面平均厚度7m；5號(hào)煤距奧灰頂界面平均厚度40m；6號(hào)煤距奧灰頂界面平均厚度為65m。

單侯煤礦位于蔚縣礦區(qū)的中部南段，礦區(qū)的南、東、西三面都有斷層隔水，北部寒武系地層的泥巖、泥灰?guī)r為自然隔水邊界。隸屬于開灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司，礦井地質(zhì)儲(chǔ)量312.83Mt，可采儲(chǔ)量148.05Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5Mt/a。礦井采用立井單水平開拓，開采水平為+650m，主采煤層自上而下依次為6煤、5煤、1煤，綜合機(jī)械化采煤方法。

圖1 蔚州礦區(qū)及單侯礦井分布

2 蔚州礦區(qū)底板突水主控因素定性分析

2.1 蔚州礦區(qū)突水時(shí)空特征

蔚州礦區(qū)自建井以來，先后多次發(fā)生突水災(zāi)害，玉峰山井曾發(fā)生11次突水災(zāi)害，最大涌水量600m3/h，最小涌水量為30m3/h，造成礦井2次淹井；南留莊井1995年至2009年12月先后共發(fā)生10次突水，最大突水量300m3/h，最小僅為4.5m3/h。崔家寨礦井在礦井東翼軌道大巷揭露奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r含水層356m時(shí)，最大出水量60m3/h；在E11612工作面南部靠近F106斷層附近頂?shù)装辶严冻鏊?，?jīng)分析為奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r水，出水量達(dá)到100m3/h以上。單侯礦井2006年6月1日西翼膠帶巷施工過程中遇小斷層裂縫帶底板灰?guī)r出水，達(dá)194m3/h，2007年3月3日東軌道巷突水，水量最大達(dá)到1600m3/h。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

通過對(duì)蔚州礦區(qū)各礦井多次奧灰突水的位置、水源、突水量之間的關(guān)系研究，得到蔚州礦區(qū)底板突水時(shí)空特征：

(1)在空間位置上突水災(zāi)害位置主要與斷裂構(gòu)造的展布有關(guān)。

(2)突水點(diǎn)位置處底板隔水層厚度均小于10m，突水系數(shù)均大于0.15MPa/m(個(gè)別遇小斷層突水除外)。

(3)突水地段含水層水壓力與突水水量成正比。

(4)突水地段與底板的奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)，突水點(diǎn)在平面上的分布與巖溶發(fā)育規(guī)律相一致。

表1 蔚州礦區(qū)底板奧灰突水分析

2.2 蔚州礦區(qū)底板突水主控因素定性分析

通過對(duì)蔚州礦區(qū)突水規(guī)律和突水時(shí)空特征分析，研究得出巖溶發(fā)育程度、隔水層厚度及其巖性組合、含水層的水壓及富水性、斷層的規(guī)模與密度是該礦區(qū)底板突水的主控因素。

2.2.1 斷裂構(gòu)造對(duì)底板突水的控制

(1)斷層提供了底板突水的通道。礦區(qū)內(nèi)多為張性正斷層，雖然膠結(jié)和充填情況較好，但大多斷層具有一定導(dǎo)水性，在高水頭壓力以及采動(dòng)活化影響下，斷層就有可能成為導(dǎo)水通道。

(2)斷層的存在使得煤層與含水層之間的巖層厚度減少，甚至造成煤層與含水層直接對(duì)接，從而增加了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)斷層破碎帶降低了底板隔水層的強(qiáng)度。

2.2.2 巖溶發(fā)育程度對(duì)底板突水的控制

奧灰?guī)r含水層的富水性受其巖溶發(fā)育程度的控制，突水點(diǎn)在平面上的分布與巖溶發(fā)育規(guī)律相一致，巖溶發(fā)育程度是煤層底板突水量大小的物質(zhì)基礎(chǔ)，一般情況下奧灰含水層厚度大，巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，但其富水性無論是在剖面上還是平面上都是不均一的，不同地帶的巖溶發(fā)育程度不同，造成突水水量差異也較大。

2.2.3 奧灰含水層水頭壓力對(duì)底板突水的控制

奧灰含水層水壓力是底板突水的動(dòng)力條件。主要表現(xiàn)為靜水壓力和動(dòng)水壓力作用。靜水壓力作用主要表現(xiàn)在對(duì)底板隔水層的降強(qiáng)、劈裂、導(dǎo)升、溶蝕等方面，突水量與靜水壓力成正比。靜水壓力與礦山壓力共同作用，使得煤層底板巖層變形、底鼓和破壞，原生裂隙擴(kuò)大或產(chǎn)生新的破壞裂隙，承壓水延裂隙向上導(dǎo)升。由于蔚州礦區(qū)內(nèi)巖溶為古巖溶，群孔抽水試驗(yàn)表明，本區(qū)地下水徑流緩慢，煤層開采時(shí)，底板奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r水突入礦井以靜水壓力為主，動(dòng)水壓力為輔。

2.2.4 底板隔水層厚度對(duì)底板突水的控制

在帶壓開采情況下，底板隔水層起著阻隔奧灰承壓水的作用，而巖性及其組合形式的不同使其阻水能力是不同的。已有成果表明，軟硬軟組合巖層的阻水效果較好。隔水層厚度是控制本區(qū)發(fā)生底板突水的主要因素之一。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)玉峰山井、南留莊井采煤經(jīng)驗(yàn)，正常情況下黏土巖隔水層每米可抵抗0.134MPa 靜水壓力，在導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹?，突水量與隔水層厚度成負(fù)相關(guān)，即隔水層厚度越大，突水量相對(duì)減少。

3 底板突水主控因素的定量化評(píng)價(jià)

所謂多源信息融合，就是把多個(gè)相關(guān)因素的信息層復(fù)合成一個(gè)信息層，然后通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)各個(gè)因素的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析。但是，由于各個(gè)影響因素之間的單位和量級(jí)的差異，無法進(jìn)行直接評(píng)價(jià)。為了比較的一致性，必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理[16]。在上述研究確定蔚州礦區(qū)底板突水主控因素的基礎(chǔ)上，基于單侯礦井5號(hào)煤層開采水文地質(zhì)資料及底板突水影響因素，采用多源信息融合和無量綱處理方法，對(duì)各影響因素的程度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，從而為正確評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性提供有力依據(jù)[17-18 ]。

3.1 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

3.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法目前主要有直線型方法(如極值法、標(biāo)準(zhǔn)差法)、折線型方法(如三折線法)、曲線型方法(如半正態(tài)性分布)[18]。本次采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法，即將各數(shù)據(jù)統(tǒng)一在[0,1]之間。極差標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

(1)

3.1.2 單侯礦井底板突水影響因素標(biāo)準(zhǔn)化處理

根據(jù)上述確定的蔚州礦區(qū)底板突水的主控因素，在這里主要考慮奧灰含水層水壓力、隔水層厚度、奧灰含水層的富水性和斷層構(gòu)造4個(gè)影響因素。利用公式(1)分別對(duì)奧灰水水頭壓力、隔水層厚度和奧灰含水層富水性各影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后分別作出各因素等值線圖。如圖2所示是隔水層厚度標(biāo)準(zhǔn)化處理后等值線圖。奧灰水水頭壓力和奧灰含水層富水性標(biāo)準(zhǔn)化處理方法與隔水層厚度相同。而對(duì)于斷層的定量評(píng)價(jià)，構(gòu)造指數(shù)法將構(gòu)造評(píng)價(jià)從定性引向定量[19-20]，主要是采用等性單元為單位，借用數(shù)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)計(jì)算各單元的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行量化分級(jí)評(píng)價(jià)。由于斷裂構(gòu)造具有尺度不變性和自相似特點(diǎn),而分形理論能夠反映地質(zhì)構(gòu)造中的非線性規(guī)律，因此用分形中的分維值表征構(gòu)造復(fù)雜性具有其他指標(biāo)不能替代的優(yōu)勢(shì)[21]。在斷層分維值的確定方法中網(wǎng)格覆蓋法可以測(cè)定斷層系的分維值。因此,在這里采用網(wǎng)格覆蓋法求出斷層網(wǎng)絡(luò)的分維值作為斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的指標(biāo)。

圖2 隔水層厚度標(biāo)準(zhǔn)化后等值線

具體步驟為：首先將單侯礦區(qū)按經(jīng)緯網(wǎng)格劃分為400mm×400mm(即400m×400m)的塊段,共9個(gè)。在每個(gè)塊段內(nèi),對(duì)礦區(qū)內(nèi)落差H>10m 的斷層進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到r=400mm，200mm，100mm時(shí)的N(r)值,將其投放到lgN(r)-lgr坐標(biāo)系中,得一擬合直線。用最小二乘法解算擬合直線的斜率,其絕對(duì)值(式2)即為所求塊段的相似維，計(jì)算過程如圖3所示。把塊段的分維值賦給該塊段的中心點(diǎn)，然后再對(duì)數(shù)據(jù)按照公式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,便得出斷層標(biāo)準(zhǔn)化后的等值線圖。

(2)

3.2 單侯礦井底板突水影響因素定量評(píng)價(jià)

(1)采用突水系數(shù)對(duì)單侯礦進(jìn)行突水危險(xiǎn)性分區(qū)，繪制出礦區(qū)5煤開采奧灰突水系數(shù)等值線圖,并進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，如圖4所示。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為: 安全區(qū):Ts<0.06MPa；較危險(xiǎn)區(qū):0.06MPa0.1MPa。

(2)將Ts>0.1MPa的危險(xiǎn)區(qū)面積與各影響因素等值線圖進(jìn)行信息融合處理，分別得到危險(xiǎn)區(qū)與各影響因素信息融合圖,這里主要以危險(xiǎn)區(qū)與隔水層厚度和水壓力信息融合圖為例，如圖5和圖6所示。

(3)利用公式(3)計(jì)算各比重圖影響因子:

(3)

圖3 分維值計(jì)算

圖4 單侯礦5煤開采危險(xiǎn)性分區(qū)

圖5 危險(xiǎn)區(qū)與含水層水壓信息融合

圖6 危險(xiǎn)區(qū)與隔水層厚度信息融合

式中，F(xiàn)為影響因子；Ki為等值線權(quán)值；Si為等值線分面積。

F隔水層厚度=0.1×1773025+0.2×1403618+0.3×257565+0.4×59806=55925.1

同理，可以得到

F含水層水壓=520472

F含水層富水性=369737.1

F斷層=607605.2

從以上評(píng)價(jià)結(jié)果來看，F(xiàn)斷層>F隔水層厚度>F含水層水壓>F含水層富水性。由此可以得到，在蔚州礦區(qū)單侯礦井底板突水眾多影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造占主導(dǎo)因素，其次為隔水層厚度、含水層水壓和含水層富水性。表2所示為影響因子面積計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié) 語

主要結(jié)論有以下幾個(gè)方面：

表2 影響因子面積計(jì)算

(1)研究得出蔚州礦區(qū)突水的時(shí)空特征：在空間位置上突水災(zāi)害位置主要與斷裂構(gòu)造的展布有關(guān)；突水點(diǎn)處隔水層厚度均小于10m，突水系數(shù)均大于0.15；突水地段含水層壓力與突水量成正比；突水點(diǎn)位置與奧灰?guī)r溶發(fā)育程度密切相關(guān)，突水點(diǎn)在平面上的分布與巖溶發(fā)育規(guī)律相一致。

(2)定性評(píng)價(jià)了蔚州礦區(qū)突水的主控因素，即巖溶發(fā)育程度、隔水層厚度及其巖性組合、含水層的水壓及富水性、斷層的規(guī)模。

(3)采用多源信息融合法對(duì)蔚州礦區(qū)單侯礦井突水影響因素進(jìn)行了定量化評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明在底板突水眾多影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造占主導(dǎo)因素，其次為隔水層厚度、含水層水壓和含水層富水性。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Quantitative Evaluation of Main Control Factors of Floor Water Inrush Based on Multi-information Fusion

ZHANG Yu-jun1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Different main control factors of floor water inrush were depended by different geological situation and different mining situation of different mining area.The paper takes geological mining situation of Yuzhou mining area and Danhou mine as background，the space position relationship between mining area water inrush material，karst aquifer distribution and water abundance properties was analyzed based on temporal and spatial characteristics of water inrush of Yuzhou mining area，then the main control factors of water inrush of Yuzhou mining area were determined by qualitative.It takes Danhou mine as an example，the main control factors of water inrush of Danhou mine were evaluated quantitative by multiply information fusion technology.The results showed that the main control factors of water inrush of Yuzhou mining area were karst development degree，aquiclude thickness，rock properties，water pressure of aquifer，water yield property，fault and so on.To many influence factors of floor water inrush of Danhou mine，geological structure was the main factors，the others were aquiclude thickness，water pressure of aquifer and water yield property.

multiply information fusion，floor water inrush，main control factors，quantitative evaluation

2016-08-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.022

國(guó)家科技重大專項(xiàng)大型油氣田開發(fā)項(xiàng)目(2016ZX05045007-003)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(2016MS011)

張玉軍(1978-)，男，河北張家口人，博士，副研究員，主要從事水體下采煤及礦井水害防治技術(shù)。

張玉軍.基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化評(píng)價(jià)[J].煤礦開采，2017，22(2)：87-92.

TD745

A

1006-6225(2017)02-0087-06